交通灯控制器的设计(综合设计实验)

实验 11 交通灯控制器的设计（综合设计实验） 一、目的、任务 1.巩固和加深学生对电子电路基本知识的理解，提高他们综合运用本课程所学知 识的能力。 2.培养学生根据实验需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。 通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。 3.通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件初步掌握复杂实用 电路的分析方法和工程设计方法。 4.培养严肃、认真的工作作风和科学态度。通过综合设计实验，帮助学生逐步建 立正确的生产观点、经济观点和全局观点。 二、设计内容 设计一个十字路口交通灯定时控制系统 ①主、支干道交替通行，主道每次放行30 秒，支道每次放行 20 秒。 ②绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行。 ③当绿灯变红灯时，黄灯先亮 5 秒，此时另一干道上的红灯不变。 ④主、支路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体 要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。 ⑤黄灯亮时，红灯按 1HZ 的频率闪烁。 ⑥要求主、支干通道通行时间及黄灯亮的时间均可在0～99S 内任意设定。 三、设计方案 该交通灯定时控制系统的组成框图如图1 所示。由状态控制器、状态译码器、减 法计数器、秒脉冲发生等组成。 状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮 相应状态的信号灯。 秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器实现减计数，控制 每一种工作状态的持续时间。 减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个 1 工作状态决定计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由BCD 译码器译码、 数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。 图 1 交通灯控制系统原理框图 四、单元电路设计 1．状态控制器设计 （1）交通灯顺序工作流程图如图 2 所示。 译码、显示 减法计数器 秒脉冲发生器 状态控制器 置数控制 状态译码器 红灯闪烁控制 支干道信号灯 主干道信号灯 2 30 秒末到 5 秒末到 20 秒末到 5 秒末到 图 2 交通灯顺序工作流程图 2状态控制器 信号灯四种不同的状态分别用（主绿灯亮，支红灯亮） 、S 1（主黄灯亮，支红灯闪 烁） 、S 2（主红灯亮，支绿灯亮） 、S3（主红灯闪烁，支黄灯亮）表示，其状态编码及状 态转换图 3 所示。 图 3 交通灯状态转换图 S 0 状态用 Q 1Q000 表示，S1 状态用 Q 1Q001 表示，S2 状态用 Q 1Q010 表示，S3 状态用 Q 1Q011 表示，显然，这是一个二位二进制计数器。可采用中规模二进制计数器 CD4029 或 74LS161 等实现，这里我们可以应用 74 LS162 来实现，74 LS162 是同步四位十进 制计数器，功能表如表 1 所示，具有同步清零功能。当 CLR0，在 CLK 脉冲的上升沿 到来时，将输出端Q A QB QC QD 清为低电平。 S000 S101 S210 S311 主干道绿灯亮 支干道红灯亮 （30 进制计数器减一） 主干道红灯闪烁 支干道黄灯亮 （5 进制计数器减一） 主干道红灯亮 支干道绿灯亮 （20 进制计数器减一） 主干道黄灯亮 支干道红灯闪烁 （5 进制计数器减一） 3 表 1 74162 的功能表 输入 输出 CLK CLR’LOAD ENP ENT A B C D QA QB QC QD ↑ 0 0 0 0 0 ↑ 1 0 a b c d a b c d 1 1 0 1 保持 1 1 0 保持C0 ↑ 1 1 1 1 计数 根据需要对照功能表连接电路，用反馈归零法设计二位二进制加法计数器，74162 的输出端 QA、QB 经与非门接同步清零端 CLR’，交通灯状态控制电路如图 4 所示。A 代表 Q 1，B 代表 Q2，A’代表 1 Q，B’代表 2 Q。 图 4 交通灯状态控制器 2.状态译码器设计 主、支干道红上黄、绿、黄信号（我们用蓝灯表示）灯的状态主要取决状态控制 器的输出状态。他们之间的关系见真值表如表 2 所示。对于信号灯的状态，“1”表示灯 亮，“0”表示灯灭。 4 表 2 信号灯信号真值表 状态控制器输出 主干道信号灯 支干道信号灯 Q2 Q1 R（红） Y黄 G绿 r（红） y黄 g绿 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为 21212 QQQQQR 2 QR  12Q QY  12Q QY  12 QQG  12 QQG  21212 QQQQQr 2 Qr  12Q Qy  12Q Qy  12 QQg  12 QQg  交通灯状态显示电路如图 5 所示， 根据设计任务要求， 当黄灯亮时， 红灯应按 1HZ 的频率闪烁。从状态译码器真值表中看出，黄灯亮时，Q 1 必为高电平；而红灯点亮信 号与 Q 1 无关。现利用 Q 1 信号去控制一三态门电路（或模拟开关） ，当 Q 1 为高电平时， 将秒信号脉冲引到驱动红灯的与非门的输入端，是红灯在黄灯亮期间闪烁；反之将其 隔离，红灯信号不受黄灯信号的影响。 根据信号灯真值表及逻辑函数表达式，设计交通灯状态译码器电路。 两个状态控制信号 A、B 分别应该接图 4 中的 A、B，仿真时临时选用两个手动开 关健入。秒信号发生器暂时选择1HZ 的时钟源。 输出端我们用彩色指示灯表示，彩色指示灯是单端高电平输入有效，这样选择简 化了电路结构。双击彩色灯弹出对话框，选择“Choose Probe”中的“Green Probe” 点确定， 当电路中它的输入是高电平时，他就会变成绿色。因为没有黄色指示灯，我 们用蓝灯代表黄色指示灯。 5 图 5 交通灯状态显示电路 3.定时系统的设计 根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，来 完成 30 秒、20 秒、5 秒的定时任务。采用同步十进制加/减计数器 74LS190，它可进 行加法、减法计数，它有计数使能控制输入，有级联脉动时钟输出，有预置数，禁止 计数等功能，但无清零功能。 （1）74LS190 的功能 表 3 74LS190 功能 输入 输出 LOAD CTEN U/D CLK A B C D QA QB QC QD 1 0 0 ↑ 加法计数 0 ↑ a b c d a b c d 1 0 1 ↑ 减法计数 1 1 保持 74LS190 的主要功能如表 3 所示，下面作简要说明。 1）预置数当置数端（LOAD）为低电平时，当时钟上升沿到来时，